JPH0147548B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明はアルミニウムまたはアルミニウム合金
のイオン窒化方法および装置に関する。アルミニ
ウムおよびアルミニウム合金の表面処理は、鉄系
材料に比べ、その方法は限られており、実際上は
陽極酸化法によるアルミナ被膜のみといつても過
言ではない。アルミニウムの陽極酸化被膜である
アルミナ被膜は、処理条件により、およそビツカ
ース硬度200〜600の硬さを有しているが、用途に
よりその耐摩性は、かならずしも充分ではない。

アルミナ被膜以上の高い硬度をもつ被膜を与え
る方法として、イオン窒化が注目されている。イ
オン窒化は密閉容器内を窒化性ガスで置換し、被
処理材を陰極とし密閉容器の内壁あるいは他に設
けた陰極との間でグロー放電を行い、窒素イオン
を発生させ、窒素イオンによりアルミニウムあい
はアルミニウム合金表面を窒化するものである。

従来のアルミニウムのイオン窒化においては、
アルミニウムまたはアルミニウム合金の被処理材
表面が酸化され、均質で耐久性のある窒化被膜が
得られにくい。被処理材表面のアルミナ等の不純
物は、被処理前には、イオンによるスパツタリン
グ現象を利用して物理的に被処理材表面より取り
除き表面を清浄化することがよく行われている。
しかしながらこの方法は、処理前に形成されてい
た酸化物をのぞくのに有効であるが、処理中に混
入してくる微量の酸素あるいは酸化性ガスによる
酸化はふせぐことは出来ない。

発明者等は一連の実験の過程で、アルミニウム
表面に形成される窒化物層の密着性が、雰囲気中
の微量の酸化性ガスにより劣化することを見いだ
した。

窒化性ガスより不純物である酸素、水蒸気、炭
酸ガス等の酸化性ガスを除くには、種々の公知の
ガス正常化装置、冷却トラツプを用いて高品質の
窒化性ガスを得ることも可能であるが装置が複雑
になり、高価になる。

本発明は上記した問題点のないイオン窒化方法
および装置を提供するものである。本発明は酸素
との親和性の強い金属を被処理材近くに配置する
ことにより、窒化性ガス中の微量の酸化性ガスは
酸素との親和性の強い金属に吸収され、被処理材
に与える酸化性ガスの妨害が少なくなり、よりす
ぐれた窒化物被覆層が得られることに基ずく。

すなわち、本発明のアルミニウムまたはアルミ
ニウム合金のイオン窒化方法、および装置は、被
処理材を配置する基台あるいはその近くに酸素と
の親和性の強い金属を存在せしめたことを特徴と
するものである。

基台あるいは基台近くに酸素との親和性の強い
金属を存在させること以外は従来のイオン窒化方
法、およびイオン窒化装置と同一である。

ここで酸素との親和性の強い金属とは周期率表
のｂ族、ａ族、ａ族、ａ族、ａ族、
ａ族の金属元素である。これらの金属元素の内、
実際上利用が容易な代表的金属としてアルミニウ
ム、ベリリウム、マグネシウム、イツトリウム、
チタニウム、ジルコニウム、バナジウム、ニオブ
イウム、クロミウム、モリブデン、タングステン
が挙げられる。これらの金属はグロー放電時に、
窒化ガス中の酸素と反応し、窒化ガス中より酸素
を取り除くもので、酸素ゲツターの役割をもつ。
本発明にかかる酸素との親和性の強い金属を以下
単に酸素ゲツター金属と称する。

窒化ガス中の酸素、特にイオン化されて反応性
が増大した酸素イオンが被処理材に衝突する前
に、酸素ゲツター金属に衝突して酸素を補足する
ように、酸素ゲツター金属は可能な限り被処理材
の周囲にあるのが好ましい。しかし、グロー放電
による被処理材のイオン窒化をさまたげるもので
あつてはならない。具体的には基台そのものを被
処理材でつくつたり、基台に配置される被処理材
の周囲に酸素ゲツター金属を配置する。酸素ゲツ
ター金属はその表面で酸素を補足するものであ
る。このため、基台の母材を例えば、ステンレス
スチール製とし、その表面に酸素ゲツター金属で
あるクロミウムをメツキ等で被覆して使用するこ
ともできる。

なお、酸素ゲツター金属をさらにくわしく説明
すると、酸素ゲツター金属としては、酸素との親
和性が強くかつ酸素をよりよく固溶するものが好
ましい。アルミニウム、クロミウムは酸素との親
和性が強いが固溶限が小さい。従つてアルミニウ
ム、クロミウムを酸素ゲツター金属とする場合に
は、表面部のみが酸素ゲツターとして使用され、
内部は酸素ゲツターとして使用されない。このた
め、アルミニウム、クロミウムを酸素ゲツター金
属とする場合には、短時間に効力が低下する。こ
のため短期間にあたらしい酸素ゲツター金属と交
換して使用する必要がある。

チタニウム、ジルコニウム、ハフニウム、バナ
ジウムは親和力は小さいが酸素の固溶限が大き
い。この種の酸素ゲツター金属は長期に渡つて効
力が持続される。しかし親和力が弱いため、それ
をおぎなうため、表面積を多くする必要がある。

本発明の方法および装置により、アルミニウ
ム、アルミニウム合金の表面には比較的均一で密
着性のよい窒化アルミニウム被膜が得られる。窒
化アルミニウム被膜は本発明によれば、基台ある
いは基台近くに酸素ゲツター金属を存在させるの
みで特別な装置を使用することなく、窒化雰囲気
の低酸素化が可能となる。その結果として密着性
の良好な窒化アルミニウム層をアルミニウム又は
アルミニウム合金表面に形成できる。

窒化アルミニウム薄膜は、エレクトロニクス関
連のデバイス（電気音響変換素子、絶縁薄膜、発
光物質）や耐火物として多様な用途が期待されて
いる材料である。その硬さはビツカース硬度1200
〜1600程度である。しかも窒化アルミニウムは酸
化物に比べ共有結合性が強く、靭性に憂れている
といわれている。したがつてアルミニウムまた
は、アルミニウム合金の上に密着性の良好な窒化
アルミニウム（AlN）層が形成できる本発明は、
アルミニウム表面処理の革新をもたらすものであ
る。なお、本発明の窒化を行なう前に、酸素ゲツ
ター金属を共存させてスパツタリングを行ない被
処理材を清浄化するとともに雰囲気中の酸素をゲ
ツター金属に補促させるのがよい。

以下、実施例により説明する。

実施例 １ 本実施例においては、第１図に概略図を示すイ
オン窒化装置を用いた。この装置はステンレス製
の密閉容器１と、この密閉容器１の中央に設けら
れた基台２とを主な構成要素とし、基台２をチタ
ニウムで作つた点に特色があり、他の構成要素は
従来と同一である。この密閉容器１には上部に窓
１１が設けられ、また内部側周には予備加熱用ヒ
ータ１２、さらにその内側にステンレス製陽極板
１３が設けられている。そらに、この密閉容器１
の底部にはガス導入管１４およびガス導出管１
５、基台２の支持柱２１の内部に冷却水を送る冷
却水管１６および水銀マノメータノ圧力型１７が
取り付けられている。

ガス導入管１４にはコントロールバルブ（図示
せず）を介して高純度窒化ガスボンベ（図示せ
ず）、高純度水素ガスボンベ（図示せず）に連絡
されている。

またガス導出管１５には真空ポンプ３が取りつ
けられている。

そして陽極１３と基台２を陰極として直流電源
回路４が形成されている。この直流電源回路４
は、密閉容器１の窓１１を通して内部の被処理材
温度を測定する２色温度計４１の入力により電源
制御可能に構成されている。

本実施例では、被処理材として１個の工業用純
アルミニウム（アルミニウム分99.5％以上）（外
径19mm、厚さ、10mmの円板）を用い、基台２の上
に配置した。

本装置でのイオン窒化は、真空ポンプ３によ
り、残留ガス圧を10^-3トールになるまで減圧し
た。更に予備加熱ヒータ１２で、真空引きしなが
ら、炉壁を30分間加熱した。加熱後、ただちに水
素ガスを４トールまで入れ、ガスを水素ガスに置
換し、更に10^-3トールまで減圧した。このように
水素ガスによる置換を２〜３回くり返し炉内の残
留酸素ガスを出来るだけ取り徐くようにした。

次に10^-3トールまで減圧した炉内に0.51／分
（流量計入口圧1.5気圧）の流量で水素ガスを流
し、同時に真空引きしながら炉内圧力を1.3トー
ルに保つように調整した。そして両極12，２間に
数百ボルトの直流電圧を印加し、放電を開始しス
パツタリングを行なつた。これにより被処理材表
面を浄化し、さらに雰囲気中の酸素をゲツター金
属に補促させた。放電により、昇温が始まり、被
処理材が600℃に加熱されたとき、水素ガスを窒
素ガスに切り変えた。被処理材をさらに650℃ま
で加熱し、650℃で４時間窒化を続けた。窒化処
理後、放電を止め、被処理材を減圧下（〜10^-3ト
ール）で冷却した。被処理材の温度が50℃以下に
なるのを確認して被処理材が炉より取り出した。

イオン窒化の窒化時の平均放電電圧は520ボル
ト、放電電流は0.5アンペア、窒化ガス圧は６ト
ールであつた。

本実施例で得られた被処理材表面に金メツキを
した後切断した断面顕微鏡写真を第３図に示す。
さらに断面のEPMA分析結果を第４図に、表面
から測定したビツカース硬さを第５図に示す。こ
れらにより表面層が窒化アルミニウムであること
が確認された。なお、第５図のＡは中心部の硬
さ、Ｂは周辺部の硬さ、Ｍは母材の硬さを策定し
た結果である。被覆層が薄いため、被覆層のみの
硬さ測定はできず、母材を含めた硬さが測定され
ていると考えられる。本実施例によりアルミニウ
ム表面に約３〜５ミクロンの窒化アルミニウム層
が形成された。また剥離等の不都合はなかつた。

なお、比較のため基台２を従来と同じ鉄製と
し、その他は実施例１と同様にに650℃で４時間
窒化した。この時の平均放電電圧は580ボルト、
放電電流は1.6アンペアであつた。得られた窒化
アルミニウムの窒化層は全面的に剥離が認めら
れ、満足な窒化層が得られなかつた。

実施例 ２ 実施例１の基台２を工業用純アルミニウムで製
造した。その他は実施例１とまつたく同様にし
て、実施例１と同じ被処理材にイオン窒化を実施
した。この時のグロー放電条件は650℃で、４時
間、平均放電電圧600ボルト、平均放電電流1.0ア
ンペアであつた。これにより被処理材表面に厚さ
３ミクロンの窒化アルミニウム被膜が得られた。
実施例１と同様、被覆の剥離のない均一な被覆で
あつた。

実施例 ３ 実施例１の基台２に代え、第６図に示す基台を
用いた。この基台は中心の柱２１（高さ50cm）の
先端に横木２２（長さ26cm）を溶接し、左右に金
網製のカゴ２３をつり下げたものである。これら
カゴ２３は上下に10段に区画され、各段に実施例
１と同じ被処理材をのせた。また、基台全体を炭
素鋼（S45C）で作り、全表面に厚さ10ミクロン
のクロムメツキを施した。

本実施例においても第２図と同様の熱サイクル
でイオン窒化を実施した。処理条件は650℃、４
時間、平均放電電圧800ボルト、平均放電電流3.0
アンペアであつた。被処理材の表面には３〜５ミ
クロンの窒化アルミニウムが均一に形成された。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例１で用いられたイオン
窒化装置の概略図、第２図は実施例で採用したイ
オン窒化の熱サイクル図、第３図〜第５図は実施
例１で得られた被処理材の被覆層に関するもの
で、第３図はその断面顕微鏡写真図、第４図はそ
の表面部のアルミニウムと窒素成分のEPMA分
析図、第５図はビツカース硬度計の荷重と、ビツ
カース硬さの関係をしめす線図、第６図は実施例
３で用いた基台の概略図である。 １……密閉容器、２……基台、５……被処理
材。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 密閉容器内の陰極となる基台に被処理材を配
   置し、該密閉容器を窒化系ガスに置換し、該密閉
   容器自体あるいは該密閉容器内に別に設けられた
   陽極と該陰極との間でグロー放電を発生させて該
   被処理材をイオン窒化する方法において、 上記被処理材はアルミニウムまたはアルミニウ
   ム合金製部材であり、該被処理材の近傍には酸素
   との親和性の大きい金属が配置されていることを
   特徴とするアルミニウムまたはアルミニウム合金
   のイオン窒化方法。 ２ 酸素との親和性の大きい金属は、周期率表の
   ｂ族、ａ族、ａ族、ａ族、ａ族、ａ
   族の金属元素よりなる純金属および合金である特
   許請求の範囲第１項記載の方法。 ３ 酸素との親和性の大きい金属はアルミニウ
   ム、マグネシウム、ベリリウム、イツトリウム、
   チタニウム、ニオブイウム、または、クロミユー
   ムである特許請求の範囲第１項記載の方法。 ４ 少なくとも基台の表面が酸素との親和性の大
   きい金属で形成されている特許請求の範囲第１項
   記載の方法。 ５ 内部に陽極を有しあるいはすくなくとも一部
   の内壁面が陽極となる密閉容器と、該密閉容器内
   に設けられ、陰極となる基台と、該基台あるいは
   その近くに配置した酸素との親和性の大きい金属
   とよりなることを特徴とするアルミニウム合金の
   イオン窒化装置。